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真诚为您提供优质参考资料,若有不当之处,请指正。基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13来源:电子技术网 作者:工业设备常用频率量信号作为采集量,如使用光电编码器采信数据,当调试使用频率信号的设备时,由于机械等部份还未动作,无法采集信号,因此需要使用信号发生器。对于在工业现场使用的设备,其要求与实验室设备并不相同,如果直接使用实验室中所用的标准信号发生器,往往会觉得其体积过大、价格太高、使用较麻烦等。工业现场使用的设备,其绝对精度要求并不高,关键要稳定可靠,便于携带和使用。一、性能分析这个项目的目标是替代工业现场的频率采样装置,典型的如光电编码器。通过调查,确认最终要制作的信号发生器的性能指标如下:频率范围:01Hz,以0.1Hz步进,1500Hz,以1Hz步进;波形:矩形波或方波均可;精度:频率值的相对误差不超过1%;功能:(1)信号发生,信号发生器以给定的频率输出信号;(2)脉冲个数计数,仪器可对本身已发出的脉冲个数进行计数;(3)设定值可存储,每次上电自动调出前次设定值。二、初步设计在确定了性能指标后,可以进行初步设计,考虑其显示、操作等方面的要求。1、显示部分待设定的频率值最高为500HZ,只要3位数码管即可;要求对输出脉冲计数,虽未给出要求的计数值,但3位数码管最大仅能计到999,似乎太少了一些,再考虑到该仪器以后的扩展,如希望以后能加一些高端点频(600、700、800、900、1000、2000、5000、10K等),需要更多的数码管显示,因此最终选择5位数码管显示。2、键盘部分键盘有很多方案可供选择,如工业品中常用的三键或四键方案,当然也可以用多键(如市售有一些标准的12或16键键盘)等,经过反复比较,考虑到易制作、易使用等等诸多因素,最终将键的个数确定为5个。键盘操作方案是仪器易用性的很重要的一个方面,这并非仪器的关键部分,但键盘、显示程序的工作量往往占据整个设计的很大的一部份。对键盘设计,重要的是要确定各按键功能,描述出各键的具体操作。本仪器的键设计如下:1工作状态描述由转换键切换两种状态(1)显示设定的频率值(2)显示脉冲个数值2键定义切换键增加键减少键开启/停止键清除键3键操作描述切换键:切换两种工作状态增加和减少键:在显示设定频率值时按,按增加键、减少键设定频率,范围为0.1500HZ,每按一次增加键,设定值加1,如果按着键不放,稍后进入连续状态,设定值快速增加;按减少键,设定值减1,如果按着键不放,稍后进入连续状态,设定值快速减少。当频率设定值小于1以后,每按一次增加或减少键,设定值增加或减少0.1。开启/停止键:开始/停止信号发生清除键:用于清除当前脉冲个数的计数值。4工作过程开机后,信号发生器自动运行,有信号输出,按下“开启/停止”键,则信号发生器停止工作,没有信号输出,再次按下“开启/停止”键,则信号发生器又开始工作,继续输出信号。信号灯用于指示信号发生器工作还是停止,当有信号产生时,信号指示灯闪烁,信号发生器暂停工作时,信号指示灯灭。三、硬件电路的设计在确定了性能指标、操作方案后,可以开始设计,首先要确定信号产生的方式。该信号发生器的绝对精度指标不高,但是其要求的最低频率低至0.1HZ,而最高分辨也要求达到0.1HZ,如果采用模拟技术难以达到,或需要付出较高代价才能做到。考虑到仪器的最高输出频率仅为500HZ,而且只需要提供要方波或矩形波,所以采用单片机做成全数字信号发生器。在有了这一设计思想之后,需要确定该方案是否可行,该方案准备采用单片机的定时器产生信号,由于定时器的定时时间只能是整数,因此,不可避免会在一些频率点上产生误差,为此,用Excel对计数值、真实频率值作了测算,部分表格如表1和表2所示,经过测算表明,当采用12M晶振时,绝对误差最大约0.12HZ(492Hz处),相对误差最大约0.024%(492Hz处),可以满足要求,因此决定采用这一方案。当然,这仅是理论值,考虑到单片机定时中断的响应时间等因素,实际的误差肯定要比这个计算值大,但是要达到1%的精度要求并不难,而其长期工作的稳定性取决于晶振的稳定度,并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小,因此其长期工作稳定性也很好。以下是部份测算的表格,完整的表格在本期光盘Excel文件中。表1较高频率算法理论频率 t(ms) 真实频率 绝对误差 相对误差10 100000 10 0.00E+00 0.00E+0011 90909 11.00001 1.00E-06 9.09E-0812 83333 12.00005 4.00E-06 3.33E-0713 76923 13.00001 1.00E-06 7.69E-0814 71429 13.99992 -6.00E-06 -4.29E-0715 66667 14.99993 -5.00E-06 -3.33E-0716 62500 16 0.00E+00 0.00E+0017 58824 16.99986 -8.00E-06 -4.71E-0718 55556 17.99986 -8.00E-06 -4.44E-0719 52632 18.99985 -8.00E-06 -4.21E-0720 50000 20 0.00E+00 0.00E+00表1较低频率算法f(hz) t(ms) 次数 频率值 误差 相对误差0.1 10000000 5000 0.1 0.00E+00 0.00E+000.2 5000000 2500 0.2 0.00E+00 0.00E+000.3 3333333 1667 0.29994 -2.00E-04 -6.67E-040.4 2500000 1250 0.4 0.00E+00 0.00E+000.5 2000000 1000 0.5 0.00E+00 0.00E+000.6 1666667 833 0.60024 4.00E-04 6.67E-040.7 1428571 714 0.70028 4.00E-04 5.72E-040.8 1250000 625 0.8 0.00E+00 0.00E+000.9 1111111 556 0.899281 -7.99E-04 -8.88E-04在确定了信号发生的方式以后,综合初步设计中提出的一些技术指标要求,进一步确定具体的实施方案。根据以往的设计经验,显示部分由单片机的P0口与P2口直接驱动;数据存储则采用串行EEPROM;信号由单片机的一个I/O口输出,并经驱动后输出。经过上述的设计后,可以确定这个仪器的框图如图1所示。原理框图出来后,选择一款合适的机壳,然后综合考虑按键、数码管的安装方式,以便进行更详细的设计。数码管和按键必须安装在印板上才能安装到面板上,数码管与单片机的连线较多,5位数码管,需要13根线,再加上按键的连线共有19根,如果将单片机放在另一块板上,必然要用大量导线与键盘显示板连接,而大量的连线是我们不愿意做的,这不仅使得安装困难,而且线易折断造成故障,因此干脆将单片机也装在同一块板上,只留下电源和输出电路放在另一块板上,这样,两块板间只需3根引线即可,大大降低了装配困难,也减少了故障隐患。整个设计的原理图,如图2和图3所示。其中图2是主板图,提供了包括数码管显示驱动、键盘等在内的大部份功能。从图中可以看到,该电路主要由这样几部份组成:(1)数码管显示部份,由单片机及相关外围电路构成5位数码管显示电路;(2)按键部份,按设计共有5个按键;(3)EEPROM存储器,这里选择I2C接口的AT24C01A芯片;(4)一只LED指示灯;(5)输出管脚。以上分别需要单片机片机的13、5、3、1、1个引脚,因此,单片机共要用到23只管脚。引脚数量确定后,即可初步确定主芯片的型号,这里选用40引脚的AT89C51单片机。如果编程中发现内部资源(如片内RAM、ROM、定时器等)不够,可以更换为89C52等其他单片机,比较灵活。图3是电源、输出部分,从图中可以看出,仪器的输出接口采用两种方式,即集电极开路(OC门)方式和射极输出方式,其中OC门方式是很多以频率信号为输出的仪器的标准输出方式,如光电编码器、霍尔开关等。基于单片机的全数字信号发生器设计设备技术网时间:2010-4-13全数字信号发生器的硬件部分就介绍到这里,下一期将介绍程序的编写。图2本仪器的程序主要由键盘、显示程序、AT24C01A读写程序、信号产生程序等部分组成。以下对部分功能作一些分析。一、键盘程序本仪器需要调整的数值范围较大,因此,“增加”和“减少”键必须具有快速连加和快速连减的功能,否则调整速度太慢。这种键盘可以用多种方法来实现,关键在于设计一个正确的程序结构,图1是一种实现方法的流程图。图1流程图程序工作时,不断地扫描键盘,第一次扫描到有键按下后如常规键盘一样,进行键值处理,处理完毕,不等待键盘释放,直接退出键盘程序。当又一次执行到键盘程序,如果检测到键还被按着,就不再直接去键值处理程序,而是将一个计数器加1,直接返回主程序,如此循环,直到计数到一个定值(如500,表示键盘程序已被执行了500次),如果键还被按着,说明用户有连加(或连减)要求,程序即将计数器减去一个数值(如30),然后进行键值处理。这样,以后键盘程序每执行30次,就执行一次键值处进程序,实现了第一次启动时间较长,以后快速连续动作的要求。如果检测到键已被释放,则清除所有标志,将计数器清零,准备下一次按键处理。程序开始时定义了两个常量:Qdsj和Ljsj,如下所示const uintQdsj=500;/*与首次启动连加(减)功能的时间有关*/const uintLjsj=30;/*与连加(减)的速度有关*/这两个常量与第一次启动及连加、减的速度有关,具体数值应根据实际情况试验后确定。下面是部分键处理程序,注意其中这两个变量的使用。voidKey()/*键处理*/if(!KeyValue)无键按下,清除一切标志退出if(KeyMark)/*第一次检测到按键吗?*/KeyCounter+;/*不是第一次(KeyMark已是1了)*/if(Qdsj=KeyCounter) /*连续按着已有Qdsj次了*/KeyCounter-=Ljsj; /*减去Ljsj次*/ KeyProcess(KeyValue,1);/*键值处理*/elsereturn;/*如果按着还没有到Qdsj*/else /*第一次检测到有键按下*/ mDelay(10);/*延时10毫秒*/再次检测if(!KeyValue)清除一切标志并返回二、小数点的处理要在LED数码管上显示小数点,可以有两种选择,一种方式是在显示0.10.9时用小数显示,而在显示1500时不显示小数点,这种方式编程略麻烦一些;另一种是使用定点的方式显示小数点,即不论是在0.10.9Hz段,还是1500Hz段,均在倒数第二位点亮小数点,这种显示方式比较简单,本机采用了第二种方式。通常,用高级语言编程时,可以用浮点型数据来表示小数,但本程序并没有这样来处理。因为单片机的资源有限,而浮点型数据的表达方式与其他数据的表达方式很不相同,无论是存储还是运算,都相当占用资源,因而在单片机中能不用浮点型数据就尽量不要使用。这里我们将所有的频率设定值扩大10倍,即所要求的频率值是0.1500Hz,但在单片机内部用15000来表示。如果频率设定值小于10,每按一次键,频率设定值就加或减1,如果频率设定值大于等于10,每按一次按键就加或减10。例如,当前频率设定值为100,按一下“增加”键,该值就会变为110,相当于频率设定值由10变为11;如果当前设定值为9,按一下“减少”键,该值变为8,相当于频率值由0.9变到了0.8。在根据频率设定值计算定时常数时,只要将被除数扩大10倍即可,程序中是这样表示的: ltemp=1000000;ltemp*=10; /由于plsd被放大了10倍,故被除数也放大10倍在显示频率设定值时,点亮倒数第二位的数码管上的小数点,显示程序中有这样的程序行:if(Counter1=1) /如果当前正在显示倒数第二位时 if(!PlSl) /如果是要求显示频率DispCode=DispCode&0xbf;/*点亮小数点*/由于P0.6与小数点位相连,所以不论待显示的数是多少,该位被清零后,小数点就能被点亮。要将该位清零,只要将字形码与0xbf(10111111)相与即可。三、AT24C01A的读写AT24C01A芯片是具有I2C接口的EEPROM,由于89C51单片机没有I2C接口,因此,必须用I/O口模拟I2C时序。这里仅提供作者用C语言编写的接口程序,不对此作更多的介绍。使用这一接口程序,只要定义好写常数、读常数及根据硬件连线定义好三个引脚SDA、SCL和WP,然后直接调用读、写函数即可。#defineAddWr0xa0/*器件地址选择及写标志*/#defineAddRd0xa1/*器件地址选择及读标志*/sbitSda=P37;/*串行数据*/sbitScl=P36;/*串行时钟*/sbitWP=P35;接口程序提供了多字节的读、写函数,其中读函数需要用到三个参数:用于存放读出数据的数组,待读EEPROM的起始地址,字节数;写函数也要用到三个参数:用于存放待写入数据的数组,待写入EEPROM的起始地址,字节数。下面是这两个函数的用法参考:RdFromROM(Number,10,2);/从地址10H开始处读出2个字节,存入Numbre数组中。WrToROM(Number,10,2);/将Number数组中的2个字节写入EEPROM,地址从10H开始四、信号产生信号发生由定时中断0完成,在定时时间到之后,重置定时常数,接着判断究竟是较高频率还是较低频率,分别予以处理,如果是较高频率,直接取反输出端口即可返回,如果是较低频率,则要进行计数,并判断计数值是否到设定值,如果到了,则取反输出端口,并清零计数器,然后再返回,这部分程序如下:voidOutWave()interrupt1 /定时0中断用于波形输出 static uint Count; /较低频率时计数用TH0=CTH0; /重装时间常数TL0=CTL0;if(HighLow) /如果是较高频率 WaveOut=!WaveOut;Mczsl+; else Count+;if(Count=Plcs) WaveOut=!WaveOut;Count=0;Mczsl+; 其中Mczsl是脉冲输出个数的计数值。从程序中还可以看出,每次输出只能得到波形的一半,要么高电平,要么低电平,一个完整的波形需要两次输出才能完成。定时中断中所设定的定时常数,预设定计数值(Plcs)都由主程序根据频率设定值计算得到,根据前述原理,对于较低频率的信号和较高频率的信号采用两种不同的方法产生,对于较低频率的信号,定时常数是一个定值,通过改变预设定计数值来达到定时时间,而对于较高频率的信号,直接改变定时常数来改变定时时间。为此,在主程序中根据设定值的大小分别处理,如果设定值大于10Hz,那么是较高频率的算法,只要计算出设定频率值对应的时间,不难得到待设定值,程序中的处理方法是:ltemp=1000000; ltemp*=10; /由于plsd被放大了10倍,故被除数也放大10倍ltemp/=Plsd; /获得周期(单位微秒)ltemp/=2; /获得定时常数根据t=1/f,计算定时时间,单位是s,而我们所要求的定时时间单位是s,因此,首先让ltemp等于1000000,又由于Plsd变量在单片机内部被放大10倍,故再将该值扩大10倍,然后用ltemp为被除数,去除以Plsd,得到周期数。由于每次定时中断只能得到一半波形,因此定时数应该是周期数的一半,将周期数除以2,即得到了定时常数。显然,这里没有先计算时间到s,然后再换算为s,其目的也是为了避免小数运算。当所设定的频率值小于10Hz时,程序是这样处理的:CTH0=(65536-1000)/256; CTL0=(65536-1000)%256; /否则是在10HZ以下,定时器的定时常数是1msHighLow=0; Plcs=5000/Plsd; 首先将定时常数确定为1000s,然后将标志位HighLow置0,表示要进行较低频率的处理,最后计算出中断次数。中断次数这样来确定:用10000000/Plsd得到周期数,然后用这个值除以2000即得可,这时除以2000的原因同上述分析,即定时时间为1000s,最终得到的的周期是2000s。12 / 12
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